多跨簡支下承式系桿拱橋設(shè)計與施工

黃生富

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

1 工程概況

博樂市位于新疆維吾爾自治區(qū)的西北部，為博爾塔拉蒙古自治州首府，是全州政治、經(jīng)濟(jì)、文化的中心，是中國西部重要沿邊開放城市和第二座亞歐大陸橋的西橋頭堡，擁有國家一級開放口岸—阿拉山口口岸。博河新區(qū)位于博樂老城南部，是博樂市發(fā)展的新引擎，博河新區(qū)系列橋梁為博樂老城與博河新區(qū)溝通的城市主要道路跨越博爾塔拉河及新區(qū)水系重要節(jié)點工程。團(tuán)結(jié)路橋為規(guī)劃團(tuán)結(jié)路跨越七一水庫節(jié)點工程，是溝通北城片區(qū)和南城片區(qū)的紐帶，對推動橋位周邊及整個博河新區(qū)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，是本次橋梁系列設(shè)計中規(guī)模最大的橋梁。橋梁位于水庫庫區(qū)，周邊將結(jié)合橋梁的建設(shè)發(fā)展水景景觀，團(tuán)結(jié)路橋除滿足交通需求外，還需滿足城市對景觀方面的要求。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市次干道，設(shè)計車速40 km/h；

（2）設(shè)計荷載：汽車荷載，城-A級(根據(jù)業(yè)主要求，提高標(biāo)準(zhǔn))；人行道及非機動車道按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）取用；

（3）橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a；

（4）設(shè)計安全等級：一級；

（5）環(huán)境類別：Ⅱ類；

（6）抗震：地震動峰值加速度0.1g，抗震設(shè)防烈度為7度；

（7）防洪：100 a一遇洪水位 509.85 m，300 a一遇洪水位510.63 m。

3 橋梁方案比選

工程范圍南起迎春路、北至沿河大道，跨越博爾塔拉河下游七一水庫，水面寬度約700 m。橋梁位于寬闊水面，需要一定的體量和規(guī)模才能與之相匹配。設(shè)計最初橋梁方案為獨塔風(fēng)帆單索面斜拉橋，考慮了全鋼方案和全混凝土方案的景觀造型和施工可行性，結(jié)合項目所在地的具體條件，得出該方案在景觀造型上不盡完美，施工難度及后期養(yǎng)護(hù)難度大的結(jié)論，通過方案進(jìn)一步比選和綜合業(yè)主意見，最終確定以連拱方案為實施方案，見圖1。

圖1 團(tuán)結(jié)路大橋效果圖

連拱方案整體造型如連山、如水波，揮灑飄逸，似兩條潔白的哈達(dá)，寓意作為古“絲綢之路”重鎮(zhèn)的博樂，在今天作為“一帶一路”國家戰(zhàn)略的橋頭堡，肩負(fù)著走出國門，溝通亞歐的重任，同時也用最高的熱情迎接著八方來客。

4 結(jié)構(gòu)總體構(gòu)思

橋梁總體上采用多跨簡支下承式系桿拱橋方案，主橋長354 m，跨徑布置為37 m+47 m+58 m+70 m+58 m+47 m+37 m；各跨跨度及拱肋高度漸次變化，外形連綿起伏，形成優(yōu)美韻律。系桿拱橋采用鋼箱拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土系梁，為剛梁剛拱體系，總體布置見圖2、圖3。

圖2 團(tuán)結(jié)路大橋立面布置圖（單位：mm）

圖3 團(tuán)結(jié)路大橋橫斷面布置圖（單位：mm）

該方案結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ梆B(yǎng)護(hù)技術(shù)水平，在保證橋梁景觀效果的前提下，盡量減少大橋施工難度及養(yǎng)護(hù)難度，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計為多跨簡支結(jié)構(gòu)，簡化結(jié)構(gòu)體系，減小施工難度。為了提高行車舒適性，設(shè)置橋面連續(xù)構(gòu)造，整個主橋建成后共分為三聯(lián)。

（2）預(yù)應(yīng)力混凝土主梁用做拱橋的系梁，主梁截面大、剛度大，結(jié)構(gòu)受力對施工步驟不敏感。主梁的預(yù)應(yīng)力可以一次張拉完成，避免了一般系桿拱橋水平系桿需多次張拉的要求，簡化施工控制要求，縮短施工工期。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝土主梁作為系梁，橋面體系整體性好，剛度大，耐久性好，后期維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)要求低。

（4）充分利用水庫的枯水期，采用先梁后拱的方案，施工技術(shù)難度小，并且采用鋼結(jié)構(gòu)拱肋工廠制作與現(xiàn)場工作同步進(jìn)行，施工速度快。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

5.1 拱肋

全橋橫向布置兩片變截面鋼箱拱肋，為了提高橋梁的整體景觀效果，拱肋之間不設(shè)置風(fēng)撐，橋面以上構(gòu)造更加簡潔，視野更加開闊。

拱軸線采用二次拋物線，矢跨比為1/5。拱肋截面采用六邊形陀螺形鋼箱截面，材料為Q345qE。拱肋內(nèi)部設(shè)置縱向I字型加勁肋，增強拱肋面板的穩(wěn)定性。拱肋內(nèi)部設(shè)置間距1 700 mm左右的橫隔板，其中一般橫隔板垂直于拱軸線布置；吊點橫隔板鉛錘布置，見圖4。

圖4 拱肋布置示意圖（單位：mm）

由于景觀造型需要，拱肋截面采用了六邊形陀螺形鋼箱截面，并且截面高度及寬度均沿著拱軸線弧長變化。與矩形截面相比，本橋拱肋截面更顯輕盈，而且造型更為豐富，但也帶來了拱肋放樣的困難。拱肋截面尺寸變化較為復(fù)雜：底板寬度始終保持不變，為1 100 mm，斜腹板傾斜角度保持不變，斜率為4∶1；拱頂寬度B、拱肋高度H，均沿著拱軸線弧長（S）線性變化，拱軸線原點（0，0）位于拱頂。拱肋面板為空間曲面，涉及平面展開的問題，楊暉柱等[2]在國家體育場鋼結(jié)構(gòu)空間彎扭箱形截面的三維建模與放樣中探討了這個問題，涉及的方法可進(jìn)一步提煉為“空間曲面平面展開三角形擬合法”。

拱肋面板為空間曲面，特點為兩個長棱邊為空間曲線，兩個端頭棱邊為直線段。平面展開放樣的實用方法見圖5，可稱之為“空間曲面平面展開三角形擬合法”。曲面的兩條長邊上分別設(shè)置節(jié)點C1（i）、C1（i+1）、C1（i+2）…… ，C2（i）、C2（i+1）、C2（i+2）……；計算空間節(jié)點 C1（i）、C2（i）、C2（i+1）形成的三角形S（i），繪制于平面上，依次在平面上繪制 S（i）、S（i+1）……，最終將曲面展開至平面上。為了保證曲面展開的精度，曲面邊線劃分點數(shù)應(yīng)保證一定的密度。

圖5 空間曲面平面展開三角形擬合法示意

根據(jù)以上原理，編制了專門的空間曲面平面展開程序，拱肋設(shè)計時給出了各個拱肋節(jié)段的頂板、底板、直腹板、斜腹板的平面展開圖，解決了拱肋面板空間曲面的放樣問題。

5.2 拱腳

拱腳為混凝土結(jié)構(gòu)，立面線形與拱肋相呼應(yīng)，采用圓弧造型，保持相鄰拱肋之間線形流暢，形成連拱的建筑效果；拱腳下半部分作內(nèi)傾處理與拱肋截面相一致，使拱腳造型更顯輕盈；拱腳與拱肋結(jié)合采用內(nèi)埋式設(shè)計。鋼箱拱肋與混凝土拱腳的連接段分為對接區(qū)、過渡區(qū)、尾部區(qū)，見圖6。對接區(qū)與鋼箱拱肋采用對接焊連接；過渡區(qū)預(yù)埋于混凝土拱腳內(nèi)，面板外表面布置M22焊釘，同時端部設(shè)置承壓板，通過端部承壓板及焊釘，將拱肋內(nèi)力傳遞至混凝土拱腳；尾部區(qū)為承壓板尾部設(shè)置的開孔板連接件的區(qū)域，進(jìn)一步加強預(yù)埋鋼拱肋與混凝土拱腳的連接，以及緩解端承壓板處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 拱腳構(gòu)造

5.3 吊桿

吊桿采用鋼絞線整束擠壓吊桿，吊桿縱橋向間距為4.16～5 m。拱肋端吊點采用插銷式耳板，為固定端，梁端吊點錨固于系梁底面，為張拉端；錨固系統(tǒng)采用整束擠壓拉索錨具。為了降低拱肋端銷軸及耳板的受力，橫向采用雙吊桿布置，規(guī)格為GJ15-7～GJ15-12，并在張拉端設(shè)置球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)動。

5.4 主梁

由于橋面較寬，為了降低橫梁的跨度及減小人非道大懸臂外挑的設(shè)計難度，系梁采用單箱雙室截面的雙主梁布置形式，見圖7。雙主梁中心距26.5 m，箱梁頂寬11.8 m，底寬6 m，中心高度為2.2 m，見圖7。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束一方面需要抵抗拱橋結(jié)構(gòu)體系的拱腳水平推力，另一方面需要抵抗主梁豎向彎曲效應(yīng)。

圖7 主梁構(gòu)造（單位：mm）

兩主梁之間設(shè)置中橫梁和端橫梁。中橫梁分為一般橫梁和吊點橫梁，均為T形斷面，腹板厚度0.6 m，底面與主梁平齊；端橫梁為箱形斷面，寬3～4.16 m，底面與系梁底平齊，腹板及頂?shù)装搴穸染鶠?.5 m；中橫梁及端橫梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

主梁范圍內(nèi)橋面板為雙向板受力，受力較小，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；橫梁之間橋面板為順橋向方向單向板，間距較大，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，布置縱向橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束規(guī)格為?s15.24-5。

6 結(jié)構(gòu)分析

6.1 計算模型

選取70 m跨拱橋為例進(jìn)行簡要介紹。采用Midas Civil軟件，建立三維有限元計算模型，見圖8，其中鋼箱拱肋、混凝土主梁、橫梁采用梁單元，吊桿采用桿單元。

圖8 團(tuán)結(jié)路大橋計算模型

6.2 主要計算結(jié)論

鋼拱肋在恒載作用下，最大壓應(yīng)力為144.7MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力；在標(biāo)準(zhǔn)組合下，最大壓應(yīng)力為172.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

吊桿在恒載及活載組合作用下，單根吊桿最大拉力1 105.0 kN，最小安全系數(shù)為3.56＞3，強度滿足規(guī)范要求。

主梁及橫梁均按照預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件控制。正常使用極限狀態(tài)的抗裂驗算及應(yīng)力驗算和承載力極限狀態(tài)下抗彎及抗剪驗算均滿足規(guī)范要求。

由于拱肋之間未設(shè)置風(fēng)撐，拱肋的整體穩(wěn)定是設(shè)計關(guān)注的重點之一。計算考慮兩種荷載工況：一是恒載工況，以恒載為變量；二是恒載+汽車荷載工況，以恒載+汽車荷載為變量。恒載工況下的穩(wěn)定系數(shù)為13.97，恒載及汽車荷載工況下的穩(wěn)定系數(shù)為12.90，失穩(wěn)模態(tài)見圖9，為拱肋面外失穩(wěn)，拱肋整體穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，并且有較大的富裕度。

圖9 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)

另外對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行了三維有限元分析，包括拱端吊桿錨固局部應(yīng)力分析、拱腳鋼混結(jié)合部局部應(yīng)力分析等。

7 施工方法及順序

本橋采用先梁后拱的施工方法，系梁及橫梁的施工采用支架方式施工。采用主要施工步驟如下：

（1）主橋橋墩鉆孔灌注樁、承臺、立柱和蓋梁施工；搭設(shè)拱橋支架，支架上現(xiàn)澆系梁和中橫梁；張拉系梁預(yù)應(yīng)力鋼束；

（2）按從跨中向梁端對稱的張拉中橫梁鋼束；澆注端橫梁及拱腳段混凝土，張拉端橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束；

（3）分段施工現(xiàn)場鋼箱拱直至成型；

（4）安裝吊桿，第一次張拉吊桿；

（5）拆除橋面系支架；安裝橋面連續(xù)構(gòu)造，橋面鋪裝及欄桿施工；

（6）調(diào)整各根吊桿內(nèi)力至設(shè)計值，成橋通車。

本橋采用先梁后拱的施工方法，七跨拱橋同步進(jìn)行施工，拱肋節(jié)段工廠預(yù)制和現(xiàn)場工作同步進(jìn)行，大大縮短了施工工期。

8 結(jié)語

團(tuán)結(jié)路大橋采用民族特色—哈達(dá)這一設(shè)計概念，多個拱圈高低錯落，連綿起伏，寓意著作為古絲綢之路重鎮(zhèn)的博樂在“一帶一路”的時代主題下將展現(xiàn)出更多的活力和擔(dān)當(dāng)，符合博樂市的當(dāng)?shù)匚幕攸c。同時，橋梁結(jié)構(gòu)方案充分考慮當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ梆B(yǎng)護(hù)技術(shù)水平及現(xiàn)場施工條件，設(shè)計為多跨簡支下承式系桿拱橋，減小了大橋施工難度及養(yǎng)護(hù)要求。目前，團(tuán)結(jié)路大橋已經(jīng)運營通車，成為當(dāng)?shù)匾痪啊?/p>